王國園

摘 要：物理實驗不僅是重要的教學(xué)方式，同時也是高中物理的重點和難點。物理學(xué)習(xí)進階是在一定的教學(xué)影響下，學(xué)生的某一知識和素養(yǎng)隨時間不斷提升的過程。本文在分析進階起點、預(yù)設(shè)進階目標(biāo)、診斷進階障礙的基礎(chǔ)上，探究學(xué)習(xí)進階視域下的電學(xué)實驗一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)路徑，以提高復(fù)習(xí)效率，不斷增強物理實驗意識，促進學(xué)生理解物理學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進階;電學(xué)實驗;實驗?zāi)芰?物理思維

一、問題緣起

物理實驗不僅是重要的教學(xué)方式和手段，同時也是高中物理的重點和難點。通過自主探究和合作實驗，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不斷增強物理實驗意識，多角度地將實驗和知識相結(jié)合，理解物理學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。高考也非常重視對物理實驗的考查，近年高考不僅增多了實驗試題的數(shù)量和分量，而且考查方式多樣、靈活、新穎，更側(cè)重于通過思維推導(dǎo)來考查學(xué)生對實驗思想和方法的理解[1]。實驗考查內(nèi)容趨于多元化、生活化，不再是單純地考查某一個實驗，而是將多個實驗交叉和組合[2]。

近年來，學(xué)習(xí)進階理論逐漸應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)中[3]。將學(xué)習(xí)進階理論應(yīng)用于物理教學(xué)，物理學(xué)習(xí)進階是在一定的教學(xué)影響下，學(xué)生的某一知識和素養(yǎng)隨時間不斷提升的過程。根據(jù)學(xué)習(xí)進階理論，筆者將高中物理實驗學(xué)習(xí)進行分段，分析新課教學(xué)、一輪復(fù)習(xí)、二輪復(fù)習(xí)、三輪復(fù)習(xí)中的學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)目標(biāo)。新授課階段，大多問題都是簡單的物理情境，學(xué)生要能夠認識基本的電學(xué)實驗儀器，對每個具體實驗的原理也要有一定程度的理解，能夠簡單分析實驗現(xiàn)象和推理實驗結(jié)論。但大部分學(xué)生在新課教學(xué)中往往只關(guān)注單個實驗的理解，對電學(xué)實驗的基本方法和原理缺乏橫向聯(lián)系和整體的認識。一輪復(fù)習(xí)是溫故知新的過程，重在打破教材原有章節(jié)的界限，在逐步深入的過程中生成新的知識，這樣可以讓學(xué)生認識到各個實驗之間是有聯(lián)系的，激發(fā)學(xué)生思考事物內(nèi)在聯(lián)系的意識。一輪復(fù)習(xí)課既要創(chuàng)設(shè)綜合的物理情境，也要創(chuàng)設(shè)簡單的現(xiàn)實情境，在情境中引導(dǎo)學(xué)生重組和建構(gòu)實驗原理和方法，使用證據(jù)從不同角度表達結(jié)論，以此來提升學(xué)生的綜合分析能力。電學(xué)知識內(nèi)容較多，綜合性較強，所以還要有二輪復(fù)習(xí)和三輪復(fù)習(xí)。二輪復(fù)習(xí)過程中不能再局限于教材實驗，需要循序漸進地引入一些學(xué)生熟悉的現(xiàn)實情境，學(xué)生運用基本實驗知識處理熟悉的實際問題，引導(dǎo)學(xué)生能夠?qū)σ延薪Y(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生遷移與運用實驗原理和方法的能力。三輪復(fù)習(xí)課需要分析近年高考動態(tài)以進一步拓展延伸，創(chuàng)設(shè)綜合的、新穎的現(xiàn)實情境，在真實情境中將不同階段的同一核心概念循序漸進地有機整合，強化學(xué)生對實驗原理和方法的理解。

二、學(xué)習(xí)進階視域下的電學(xué)實驗一輪復(fù)習(xí)課教學(xué)分析

在高一高二的學(xué)習(xí)中，教師和學(xué)生往往關(guān)注各個基本知識點的建構(gòu)和運用，知識呈現(xiàn)碎片化。一旦綜合考查電學(xué)的實驗，便出現(xiàn)五花八門的錯誤。為了突破這個局限，根據(jù)課標(biāo)要求，筆者嘗試將“學(xué)習(xí)進階”理論應(yīng)用于電學(xué)實驗一輪復(fù)習(xí)，尋找合適的學(xué)習(xí)進階路徑，設(shè)置適合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的“腳踏點”，引領(lǐng)學(xué)生實現(xiàn)概念重構(gòu)和知識聯(lián)結(jié)。

（一）進階起點分析

電學(xué)實驗內(nèi)容較多，涉及歐姆定律、電流表和電壓表、滑動變阻器等的深刻理解，還有儀器儀表讀數(shù)問題、圖像轉(zhuǎn)換、相關(guān)變式等，所涉及的實驗方法和儀器組合的方式較多，并且各個實驗儀器的選擇和實驗原理之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，考查情境變化多樣，綜合性較強。并且雖然近年高考電學(xué)實驗仍然是以中學(xué)物理基本知識和實驗方法為基礎(chǔ)考查，但為了防止學(xué)生背題套題，都是考查“新實驗”，這就要求學(xué)生要有較高的分析能力和知識遷移能力，但高三學(xué)生知識遷移能力較弱，常常需要教師通過不斷總結(jié)和拓展來引導(dǎo)學(xué)生理解。

（二）進階目標(biāo)預(yù)設(shè)

依據(jù)課程標(biāo)準和學(xué)習(xí)進階理論，結(jié)合近年高考電學(xué)實驗的特點，把教學(xué)目標(biāo)分解成多個層級，在教學(xué)中逐步進階，達到進階終點。

一級目標(biāo)：識別并了解常見電路元器件及其在電路中的作用，掌握常用儀器的讀數(shù)方法，能夠選擇合適的實驗儀器和電路完成實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力;

二級目標(biāo)：以教材中經(jīng)典的基礎(chǔ)實驗為原型，理解各個實驗原理，掌握各個實驗的測量步驟和操作方法，能夠用文字、公式簡單表達實驗結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的能力;

三級目標(biāo)：能夠綜合考慮實驗原則來設(shè)計實驗方案，掌握利用圖像、公式等來表達實驗數(shù)據(jù)的方法，發(fā)展學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識處理問題的能力。

（三）進階障礙診斷

根據(jù)以上分析，學(xué)生可能存在以下困難：1.難以選擇儀器和量程。大多數(shù)學(xué)生都知道儀器和量程的選擇要考慮安全、誤差、便捷等因素，但在實際問題中，如何運用這些原則準確選擇呢？2.如何接入電流表，內(nèi)接？外接？有哪些區(qū)別？不少同學(xué)只是知道“大內(nèi)偏大，小外偏小”，而不知道它的來龍去脈，在具體問題中不能正確做出選擇。3.如何正確選擇滑動變阻器，分壓還是限流如何接入？4.實驗數(shù)據(jù)的處理和誤差的分析對大多數(shù)學(xué)生來說更是不知所措。

三、教學(xué)實踐過程——以“伏安法測電阻實驗”為例

梳理歷年高考電學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)所占比例最大的就是應(yīng)用各種方法測電阻的探究性實驗[4]。電阻雖然有很多種測量方法，但都是對伏安法的拓展?！皟x器的選擇”和“電路的設(shè)計”是測電阻實驗的兩個基本問題。筆者擬從伏安法測電阻入手，把涉及的知識點和實驗方法為主線串聯(lián)起來，將類似的實驗歸納總結(jié)，先提煉各個實驗的主要思想方法和實驗原理的共性，再分析每個實驗的具體方法和特點，分別梳理個性問題，并進行適當(dāng)比較。通過微專題的方式，以教材中的典型實驗作鋪墊，以思維發(fā)展為前提，設(shè)置多個中間層級，由淺入深地實現(xiàn)認知和思維的進階。

（一）進階一級：厘清概念，完善認知

這一階段主要是識記和理解的低階思維，重在復(fù)習(xí)和落實基本實驗知識和方法，厘清不同實驗電路和實驗儀器的區(qū)別，這部分知識是后續(xù)各個電學(xué)實驗的必備知識，聯(lián)系著實驗的誤差分析，是后續(xù)進階的基礎(chǔ)。

在教學(xué)中，首先，帶領(lǐng)學(xué)生重返實驗室，在實驗室經(jīng)歷各個實驗的操作過程，學(xué)習(xí)電學(xué)實驗基礎(chǔ)，以設(shè)計者、實驗者的身份真正參與一系列探究活動和思考活動，在不斷操作、糾錯、補漏、交流的過程中，加深理解各個實驗儀器和原理，訓(xùn)練各項實驗技能，掌握基本實驗的方法和思想。學(xué)生要正確讀出電表、螺旋測微器、游標(biāo)卡尺等示數(shù)，理解電壓表和電流表的由來和“同一性”。緊接著，讓學(xué)生做實驗基礎(chǔ)知識的思維導(dǎo)圖，小組討論，教師分模塊補充和總結(jié)。

電流表的內(nèi)外接法一直是教學(xué)難點，即使高三學(xué)生也是屢做屢錯，是這一進階過程的重點。準確把握學(xué)生的認知起點和思維障礙，結(jié)合原型實驗，選擇典型實例，以具體問題情境為載體，擊破學(xué)習(xí)難點。

例1：現(xiàn)想測一個電阻的準確阻值（約為10Ω），器材有電壓表V（量程為3V，內(nèi)阻約為1kΩ）;電流表A（量程為300mA，內(nèi)阻為1Ω）。

問題1：如何接入電流表？這個問題跟我們之前遇到的有什么不同？

大多數(shù)同學(xué)會思維定式地從“大內(nèi)小外”的角度，直接選擇外接法。由此反映出學(xué)生只是記住了“大內(nèi)小外”的結(jié)論，而沒有理解本質(zhì)。

在復(fù)習(xí)伊始，先通過具體的實驗儀器喚醒學(xué)生對電流表相關(guān)知識的記憶，然后以這一典型例題為載體來引起學(xué)生的認知沖突，再結(jié)合改裝原理說明電流表的本質(zhì)，以及其分壓的原因，幫助學(xué)生真正理解和領(lǐng)會電流表的內(nèi)外接法的原因和選擇原則，引導(dǎo)學(xué)生感悟誤差分析的方法，一步步擊破學(xué)習(xí)難點。

問題2：如果電流表的準確內(nèi)阻已知，就要內(nèi)接法接入電流表。如果電壓表和電流表的準確內(nèi)阻都已知，那如何接入電流表？測量結(jié)果偏大還是偏??？

在學(xué)生理解了電流表本質(zhì)的基礎(chǔ)上，教師進一步提出問題2，引發(fā)學(xué)生深度思考，深化學(xué)生對電流表和電壓表的認識，培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力。

（二）尋階而上：分析現(xiàn)象，串聯(lián)知識

在掌握和整合各個實驗器材原理和方法的基礎(chǔ)上，對比教材四種實驗方案，學(xué)生要能夠準確選擇器材和量程，正確連接電路圖和實物圖，這需要學(xué)生的分析和推理能力。

問題1：測電阻的課本實驗方案有哪些？每個電路的優(yōu)缺點有哪些？適用于哪些情況？

從學(xué)生的“已知區(qū)”出發(fā)，挖掘教材實驗，通過提示實驗原理和給定較符合的實驗器材來簡單化，讓學(xué)生在熟悉的器材環(huán)境中進行實驗。先引入例2較簡單的物理情境，學(xué)生自主選擇器材，設(shè)計電路圖，分小組在實驗室完成操作。

例2：現(xiàn)要測定電阻Rx的阻值（約為100Ω），有滑動變阻器R（最大阻值為10Ω），電流表（A1量程300mA，內(nèi)阻約為5Ω;A2量程50mA，內(nèi)阻約為1Ω），電壓表（量程3V，內(nèi)阻約為3kΩ;量程15V，內(nèi)阻約為5kΩ），電源（電動勢10V）

問題2：如何選擇電表和量程？如何設(shè)計電路圖？該實驗有沒有系統(tǒng)誤差？偏大？偏小？如何分析？

在具體操作過程中，教師還要幫助學(xué)生排查電路故障、規(guī)范實驗操作、進行錯誤糾正等。在實驗的最后，帶領(lǐng)學(xué)生通過公式和圖表簡單分析實驗數(shù)據(jù)和誤差，喚醒學(xué)生誤差分析的意識。

新課標(biāo)要求學(xué)生不僅能夠給現(xiàn)有情境制訂出合適的實驗方案，而且自己要從不同角度提出可探究的問題，并根據(jù)實驗室現(xiàn)有器材設(shè)計和調(diào)整實驗方案，完成實驗過程，并獲取、分析數(shù)據(jù)和誤差。在例2的基礎(chǔ)上，改造實驗情境，換器材，減器材，讓學(xué)生根據(jù)實際條件調(diào)整方案，重新設(shè)計電路。實現(xiàn)學(xué)生的“已知區(qū)”到“認知發(fā)展區(qū)”的進階。

變式1：在例2的基礎(chǔ)上，減掉兩個電壓表，增加電流表（A2量程250mA，內(nèi)阻為5Ω）

問題3：改變例2的實驗器材，只有兩個電流表，缺少電壓表，如何選擇儀器和量程？如何設(shè)計電路？

問題4：金屬絲的電阻為？該實驗有沒有系統(tǒng)誤差呢？如何分析？該實驗方案存在哪些缺陷？你將如何改進？

問題5：繼續(xù)改變器材，拿掉電流表，只有兩個電壓表，試著按照變式1的思路設(shè)計實驗方案。

以例2為鋪墊，通過加、減、換器材的方式來拓展和改造實驗情境，根據(jù)已知條件和內(nèi)在邏輯設(shè)置問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際條件一步步分析，尋找更精確的實驗方案和測量方法。

讀出電表示數(shù)之后，還需根據(jù)電路和電表的具體內(nèi)阻來計算金屬絲的電流和電壓，進而求出金屬絲的阻值，并分析可能的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，這是一個難點。分析和結(jié)束數(shù)據(jù)需要很強的處理信息能力與邏輯推理能力，思維跨度較大，這一過程不可能一蹴而就，需要教師的一步步引導(dǎo)。該層級主要是強化學(xué)生實驗誤差分析和實驗方案評價的意識，這些能力的進一步提高還要在之后的進階過程中“小碎步”推進。

（三）逐級深化：深化拓展，融會貫通

除了教材中原有的學(xué)生實驗外，高考還會以演示實驗、拓展學(xué)習(xí)和“科學(xué)漫步”等為背景，結(jié)合時事熱點，設(shè)計綜合、新穎的情境，來考查學(xué)生的知識遷移能力、思維推理能力和實驗探究能力。

例3：待測電壓表（量程為3V，刻度清晰，數(shù)字模糊，內(nèi)阻約為5kΩ）;電流表（量程為1mA）;變阻箱R0（0～9999.9Ω）;滑動變阻器（R1最大阻值為20Ω，額定電流為1A;R2最大阻值為500Ω，額定電流為0.5mA）;電源（電動勢為9V，內(nèi)阻約為1Ω）;開關(guān)一個，導(dǎo)線若干。

這是綜合設(shè)計性實驗，體現(xiàn)了實驗探究的全過程。這一問題不再是學(xué)生常見的實驗，而是綜合設(shè)計性實驗，體現(xiàn)了實驗探究的全過程。電壓表的刻度清晰，但是數(shù)字模糊，無法直接讀數(shù)，只能直接得到變阻箱接入電路的阻值和電流表的示數(shù)。如何設(shè)計電路才能由R、I得到電壓表的內(nèi)阻RV，需要學(xué)生有較強的推理能力和創(chuàng)新思維。教師可以在簡單分析實驗器材的基礎(chǔ)上，直接給出實驗電路圖，再讓學(xué)生選擇需要的滑動變阻器，這樣既降低了思考難度，又可以促進對電路的理解。

根據(jù)多組實驗所測的數(shù)據(jù)選擇橫縱坐標(biāo)繪制圖像，運用相關(guān)的物理關(guān)系寫圖像的函數(shù)關(guān)系式，分析處理實驗數(shù)據(jù)，得出正確的實驗結(jié)論，是實驗探究的重要環(huán)節(jié)，也是近年高考的熱點。這一過程體現(xiàn)著學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和信息加工能力，是高階思維能力，需要逐步培養(yǎng)。教師可以先引導(dǎo)學(xué)生推理得出含有R、I、RV的函數(shù)關(guān)系式，再選擇合適的橫縱坐標(biāo)將其轉(zhuǎn)化為圖像。

問題2：如果在例3中，電流表的刻度清晰但數(shù)字模糊不清，該如何設(shè)計電路？如何設(shè)計實驗方案？從實驗原理的角度又存在哪些誤差？

改造例3，改為測電流表的內(nèi)阻，經(jīng)歷相似的探究過程，通過對比來加深學(xué)生的理解。由于有上一階段的探究為基礎(chǔ)，這一過程將以學(xué)生自主設(shè)計和小組討論相結(jié)合的方式得出實驗方案，使得學(xué)生的真實思維過程充分展現(xiàn)，突出了教學(xué)的開放性、研究性。最后，教師應(yīng)用同屏技術(shù)展示和點評。

結(jié)束語

根據(jù)學(xué)習(xí)進階理論，結(jié)合物理思維發(fā)展的需要，抓住學(xué)生的認知起點和思維障礙，以專題和微專題的形式整體規(guī)劃電學(xué)實驗復(fù)習(xí)，設(shè)置合理的進階層級。在這些大“階”的基礎(chǔ)上，通過“問題鏈”鋪路搭橋，層層遞進，逐步深入，交互式地不斷推進著學(xué)生的思考和教學(xué)的發(fā)生，引領(lǐng)學(xué)生實現(xiàn)概念重構(gòu)和知識聯(lián)結(jié)，逐步培養(yǎng)物理實驗?zāi)芰Α?/p>

參考文獻

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